机电课程设计压力机液压系统的电气控制设计全解

课程设计任务书2013—2014学年第二学期机械工程学院（系、部）机械设计制造及其自动化专业机设1105 班级课程名称：机床电气控制技术设计题目：压力机液压系统的电气控制设计完成期限：自 2014 年 6 月 13 日至 2014 年 6 月 20 日共 1 周指导教师（签字）： 2014年 6 月 20 日系（教研室）主任（签字）： 2014年 6 月 20 日机床电气控制技术设计说明书压力机液压系统的电气控制设计起止日期：2014 年6 月13 日至2014 年6 月20 日学生姓名邓文强班级机设1105学号***********成绩指导教师(签字)机械工程学院（部）2014年6月20日目录一、课程设计的内容与要求 (1)1.1课程设计对象简介 (1)1.2压力机结构及工作要求 (1)1.3液压系统工作原理及控制要求 (2)1.4课程设计的任务 (4)二、电气控制电路设计 (5)2.1继电器-接触器电气控制电路的设计 (5)2.2继电器-接触器电气控制电路图分析及介绍 (5)2.3选择电气元件 (9)三、压力机的可编程控制器系统的设计 (10)3.1可编程控制器控制系统设计的基本原则 (10)3.2可编程控制器系统的设计 (10)四、设计体会与总结 (15)五、参考资料 (16)一、课程设计的内容与要求1.1 课程设计对象简介压力机是锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、粉末冶金、成形、打包等加工工艺中广泛应用的压力加工机械设备。

液压压力机（简称液压机）是压力机的一种类型，它通过液压系统产生很大的静压力实现对工件进行挤压、校直、冷弯等加工。

液压机的结构类型有单柱式、三柱式、四柱式等形式，其中以四柱式液压机最为典型，它主要由横梁、导柱、工作台、上滑块和下滑块顶出机构等部件组成，结构原理图如图1-1所示。

1.2压力机结构及工作要求由图1-1所示，主机为三梁四柱式结构，上滑块由四柱导向、上液压缸驱动，实现“快速下行→慢速加压→保压延时→快速回程→原位停止”的动作循环。

下液压缸布置在工作台中间孔内，驱动下滑块实现“向上顶出→向下退回”或“浮动压边下行→停止→顶出”的动作循环。

压力机液压系统以压力控制为主，系统压力高，流量大，功率大，尤其要注意如何提高系统效率和防止产生液压冲击。

由上液压缸和下液压缸动作循环路线可以画出液压机的工作循环图，如图1-2所示。

横坐标为一个循环周期，纵坐标为液压缸工作行程。

1.3液压系统工作原理及控制要求由设计任务书可知，设计任务为3150KN通用液压系统。

1.31 3150KN通用液压系统工作原理及特点图1-3为3150KN通用液压机的液压系统图。

系统有两个泵，主泵1是一个高压、大流量恒功率（压力补偿）变量泵，最高工作压力由溢流阀4的远程调压阀5调压。

辅助泵2是一个低压小流量定量泵，用于供应液动阀的控制油，其压力由溢流阀3调整。

该系统采用高压大流量恒功率变量泵供油和利用滑块自重充液的快速运动回路，既符合工艺要求，又节省了能量；采用单向阀13保压及由顺序阀11和带卸载阀芯的充液阀14组成的泄压回路，结构简单，减小了由保压转换为快速回程时的液压冲击。

图1-3 3150KN通过液压机液压系统图1—主泵 2—辅助泵 3、4、18—溢流阀 5—远程调压阀 6、21—电液换向阀7—压力继电器 8—电磁换向阀 9—液控单向阀 10、20—背压阀 11—顺序阀 12—液控滑阀 13—单向阀 14—充液阀 15—油箱 16—上缸 17—下缸 19—节流器 22—压力表1.3.2 3150KN通用液压机液压系统性能分析由以上的工作原理及特点分析可知，该机液压系统主要由压力控制回路,换向回路,快慢速转换回路,以及平衡锁紧回路等组成。

其主要性能特点如下：1）系统采用高压大流量恒功率(压力补偿)柱塞变量泵供油，通过电液换向阀6、21的中位机能使主泵1空载起动，在主、辅液压缸原位停止时主泵1卸荷，利用系统工作过程中工作压力的变化来自动调节主泵1的输出流量与上缸的运动状态相适应，这样既符合液压机的工艺要求，又节省能量。

2）系统利用上滑块组件的自重实现主液压缸（上缸）快速下行，并用充液阀14补油，使快速运动回路结构简单，补油充分，且使用的元件少。

3)系统采用带缓冲装置的充液阀14、液动换向阀12和外控顺序阀11组成的泄压回路，结构简单，减小了上缸由保压转换为快速回程时的液压冲击。

4)系统采用单向阀13、14保压，并使系统卸荷的保压回路，在上缸上腔实现保压的同时实现系统卸荷，因此系统节能效率高。

5)系统采用液控单向阀9和内控顺序阀组成的平衡锁紧回路，使上缸组件在任何位置能够停止，且能够长时间保持在锁定的位置上1.4课程设计的任务1、在1周时间内，根据给定任务（具体见课程设计指导书），绘制电气原理图一张，要求有布局合理，功能完善，有技术要求及明细栏；2、有PLC设计内容的（由指导教师指定），要求给出程序框图和源程序清单；3、编写设计计算说明书一份，不得少于15页。

要求有目录、设计任务书及元器件选型计算、原理说明、功能说明、控制器的选择、程序清单、调试结论、参考资料等。

二、电气控制电路设计2.1继电器-接触器电气控制电路的设计根据液压机的系统性能以及特点的分析之后，还需要考虑了以下几个方面：1、电气控制线路与机械配合相当紧密，因此分析中要详细了解机械结构与电气控制的关系，但机械结构相对比较复杂。

2、控制线路中设置了变速冲动控制，从而使变速顺利进行。

3、为了操作方便，采用多地控制，实现两地启、停。

4、具有完善的电气联锁，并具有短路、零压、过载及超行程限位保护环节根据设计要求我们设计了如图2-3所示的继电器-接触器电气控制电路图。

2.2继电器-接触器电气控制电路图分析及介绍2.2.1通过以上分析，可得出图1-3中每个换向阀每个电磁铁的动作顺序，如表2-1所示。

表2-1 3150KN通用液压机的电磁铁动作顺序表2.2.2动作分析（1）启动如图2-1所示。

按启动按扭SB2，KM1得电吸合，常开开关KM1闭合，主泵供油，电磁铁全部处于失电状态，主泵1输出的油经三位四通电液换向阀6中位及阀21中位流回油箱，空载启动。

（2）上缸快速下行按启动按扭SB3，KA1得电吸合，其控制的常开开关KA1闭合，电磁铁1Y、5Y先后得电，阀6换至右位，控制油经阀8右位使液控单向阀9打开。

进油路：泵1→换向阀6右位→单向阀13→上缸16上腔。

回油路：上缸16下腔→液控单向阀9→换向阀6右位→换向阀21中位→油箱。

上缸滑块在自重作用下迅速下降，泵1虽处于最大流量状态，仍不能满足其需要，因而上缸上腔形成负压，上部油箱15的油液经液控单向阀14（充液阀）进入上缸上腔。

图2-1（3）上缸慢速接近工件。

当上缸滑块降至一定位置触动行程开关2S后，SQ2失电断开，电磁铁5Y失电，阀8处于原位，液控单向阀9关闭。

上缸下空油液经背压阀10、阀6右位、阀21中位回油箱。

这时，上缸上腔压力升高，充液阀14关闭。

上缸在泵1供给的压力油作用下慢速接近工件。

当上缸滑块接触工件后，阻力急剧增加，上腔压力进一步提高，泵1的输出流量自动减小。

（4）保压。

当上缸上腔压力达到预定值时，压力继电器KP吸合，常闭开关KP断开，使电磁铁1Y失电，阀6回中位，上缸的上、下腔封闭，单向阀13和充液阀14使上缸上腔保压，保压时间由时间继电器KM2调整。

保压期间，泵1经阀6、阀21的中位卸载。

（5）泄压，上缸回程。

如图2-2所示。

保压过程结束，时间继电器KM2发出信号，其控制的常开开关KM2闭合，接触器KA2得电吸合，电磁铁2Y得电，阀6换至左位，同时开关KA2闭合，形成自锁。

由于上缸上腔压力很高，液动滑阀12处于上位，压力油经阀6左位及阀12上位使外控顺序阀11开启。

此时泵1输出油液经顺序阀11回油箱。

泵1在低压下工作，此压力不足以打开充液阀14的主阀芯，而是先打开阀14中的卸载芯，使上缸上腔油液经此卸载阀芯开口泄回上部油箱15，压力逐渐降低。

当上缸上腔压力泄至一定值后，液动滑阀12回到下位，外控顺序阀11关闭，泵1供油压力升高，阀14完全打开，此时油液流动情况为进油路：泵1→换向阀6左位→液控单向阀9→上缸下腔。

回油路：上缸上腔→充液阀14→上部油箱15。

实现主缸快速回程。

（6）上缸原位停止。

当上缸滑块上长至触动行程开关1S，SQ1触点失电断开，电磁铁2Y失电，阀6处于中位，液控单向阀9将主缸下腔封闭，上缸原位停止不动。

泵1输出油经阀6、阀21中位回油箱，泵卸载。

（7）下液压缸顶出及退回按下开关SB5,接触器KA3得电，电磁铁3Y得电，换向阀21换至左位进油路：泵1→换向阀6中位→换向阀21左位→下缸17下腔。

回油路：下缸17上腔→换向阀21左位→油箱。

下液压缸活塞上升，顶出。

按下开关SB6，接触器KA4得电，电磁铁4Y得电，同时电磁铁3Y失电，换向阀21换至右位，下液压缸活塞下行，退回。

图2-2（8）浮动压边作薄板拉伸压边时，要求下缸活塞上升到一定位置后，既保持一定压力，又能随上缸滑块的下压而下降。

这时，换向阀21处于中位，上缸滑块下压时下缸活塞被迫随之下行，下缸下腔油液经节流器19和背压阀20流回油箱，使下缸下腔保持所需的压边压力。

调节背压阀20即可改变浮动压边力。

下缸上腔则经阀21中位从油箱补油。

溢流阀18为下缸下腔安全阀。

图2-3电气控制电路图2.3选择电气元件对于电气元件的选择，我们应注意以下几点：(1)根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气元件类型。

如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电路时，应选择交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控制电路）时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。

(2)根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载能力及使用寿命。

(3)掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等。

(4)为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的技术和校核。

根据以上步骤及参考资料的查找制定了本课程设计中继电器元件表（见表2-2）。

三、压力机的可编程控制器系统的设计3.1可编程控制器控制系统设计的基本原则在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。

(1)最大限速地满足控制要求充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。

设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。

同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

(2)保证系统安全可靠保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

(3)力求简单，经济，使用与维修方便在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。